Meta专利构思实现高量子效率的Micro LED像素

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实现高量子效率

映维网Nweon 2023年05月08日)在半导体LED中,光子是通过有源区内的电子和空穴的复合而产生。LED的内部量子效率(IQE)是发射的光子数量与注入有源区的载流子(电子和空穴)数量之间的比率。所产生的光可以在特定方向上从LED提取。从LED中提取的发射光子的数量与通过LED的电子的数量之间的比率称为外部量子效率(EQE)。对于LED,特别是Micro LED,IQE和EQE可能非常低。

在名为“Semipolar micro-led”的专利申请中,Meta构思了一种可以实现高量子效率的Micro LED像素。

其中,所述Micro LED可以包括生长在掺杂半导体层中形成的凹坑结构的半极性面上的发光层。可以通过使用具有倾斜侧壁和特定形状和取向的开口的掩模蚀刻掺杂半导体层。

掺杂半导体层可以包括生长在c平面取向衬底上的n掺杂GaN层,并且可以蚀刻以形成具有相对于c平面倾斜约50°至75°的角度的小面的凹坑结构。因此,每个凹坑结构可以具有倒金字塔形状,并且凹坑结构的小面可以是半极性取向。

一个或多个量子阱层(例如未掺杂的GaN/InGaN层)可以在半极性凹坑面上外延生长,电子阻挡层(EBL)可以在量子阱层上生长,并且p掺杂GaN层可以在EBL层上生长和/或可以填充凹坑结构。这样的Micro LED子像素可以形成在每个凹坑结构中。

在一个实施例中,可以在P掺杂GaN层上形成诸如铟锡氧化物(ITO)层和/或金属层的P接触层。所制造的具有形成在凹坑结构中的Micro LED子像素的Micro LED晶片可以通过接合焊盘接合到CMOS晶片。每个接合焊盘可以大于Micro LED子像素的尺寸,并且因此可以将多个Micro LED子像素分组为一个Micro LED像素。

在一个实施例中,可以分别蚀刻和外延生长Micro LED晶片的不同区域,以形成不同材料或不同组成的发光层,从而发射不同颜色的光。

因为发光层生长在半极性平面上,并且在生长之后可能不存在对发光层的蚀刻,所以Micro LED像素的IQE可以很高。另外,在凹坑结构的半极性面上生长的发光层可以具有大于凹坑结构的横向面积的发光面积,并且因此可以在发光区域中具有较低的有效载流子密度和较低的俄歇复合率。同时,由于LED晶片可以包括Micro LED子像素的阵列,每个Micro LED子像素都形成在凹坑结构中,并且可以在没有对准的情况下结合到CMOS背板,以形成Micro LED像素阵列,因此键合过程可以相对容易并且更可靠。

所以,Meta表示专利描述的Micro LED像素可以实现高量子效率。

图7A示出了具有垂直台面结构的LED 700。LED 700可以是由诸如多层半导体材料的无机材料制成的Micro 型LED。分层半导体发光器件可以包括多层III-V族半导体材料。III-V族半导体材料可以包括一种或多种III族元素,例如铝(Al)、镓(Ga)或铟(In),以及V族元素,如氮(N)、磷(P)、砷(as)或锑(Sb)。

在图7A所示的示例中,LED 700可以包括衬底710,衬底710可以包括例如蓝宝石衬底或GaN衬底。可以在衬底710上生长半导体层720。半导体层720可以包括诸如GaN的III-V族材料,并且可以是p掺杂或n掺杂。

可以在半导体层720上生长一个或多个有源层730以形成有源区。有源层730可以包括III-V族材料,其可以形成一个或一个以上异质结构,例如一或多个量子阱或MQW。半导体层740可以生长在有源层730上。

半导体层740可以包括诸如GaN的III-V族材料,并且可以是p掺杂或n掺杂。半导体层720和半导体层740之一可以是p型层,另一个可以是n型层。半导体层720和半导体层740将有源层730夹在中间以形成发光区域。

例如,LED 700可以包括位于掺杂有镁的p型GaN层,以及掺杂有硅或氧的n型GaN之间的InGaN层。在一个实施例中,LED 700可以包括位于掺杂有锌或镁的p型AlInGaP层,以及掺杂有硒、硅或碲的n型AlInGaAP层之间的AlInGaP层。

可以生长电子阻挡层(EBL)(图7A中未示出),以在有源层730和半导体层720或半导体层740中的至少一个之间形成层。EBL可以减少电子泄漏电流并提高LED的效率。

在一个实施例中,P+或P++半导体层可以形成在半导体层740上,并且用作形成欧姆接触并降低器件的接触阻抗的接触层。导电层760可以形成在半导体层750上。导电层760可以包括例如铟锡氧化物(ITO)或Al/Ni/Au膜。在一个示例中,导电层760可以包括透明ITO层。

为了与半导体层720(例如n-GaN层)接触并更有效地从LED 700提取由有源层730发射的光,可以蚀刻半导体材料层以暴露半导体层720并形成包括层720–760的台面结构。

台面结构可以将载流子限制在器件内。蚀刻台面结构可以导致形成可以与生长平面正交的台面侧壁732。钝化层770可以形成在台面结构的侧壁732上。钝化层770可以包括诸如SiO2层的氧化物层,并且可以用作反射器以将发射的光反射出LED 700。

包括诸如Al、Au、Ni、Ti或其任何组合的金属层的接触层780可以形成在半导体层720上,并且可以用作LED 700的电极。另外,另一接触层790可以形成在导电层760上,并且可以用作LED 700的另一电极。

当电压信号施加到接触层780和790时,电子和空穴可以在有源层730中复合,其中电子和空穴的复合可以引起光子发射。

发射光子的波长和能量可以取决于有源层730中价带和导带之间的能带隙。例如,InGaN有源层可以发射绿光或蓝光,AlGaN有源区可以发射蓝光至紫外光,而AlInGaP有源区可以发出红光、橙光、黄光或绿光。发射的光子可以被钝化层770反射,并且可以从上方(导电层760和接触层790)或下方(衬底710)离开LED 700。

在一个实施例中,LED 700可以包括在光发射表面(例如衬底710)上的一个或多个其他部件,例如透镜,以聚焦或准直发射的光或将发射的光耦合到波导中。LED可以包括另一形状的台面,例如平面、圆锥形、半抛物面或抛物面,并且台面的基部区域可以是圆形、矩形、六边形或三角形。

图7B是具有抛物面台面结构的LED 705的示例的截面图。类似于LED 700,LED 705可以包括多层半导体材料,例如多层III-V族半导体材料。半导体材料层可以在诸如GaN衬底或蓝宝石衬底的衬底715上外延生长。

例如,半导体层725可以生长在衬底715上。半导体层725可以包括诸如GaN的III-V族材料,并且可以是p掺杂(例如用Mg、Ca、Zn或be)或n掺杂(如用Si或Ge)。一个或多个有源层735可以生长在半导体层725上。有源层735可以包括III-V材料,其可以形成一个或更多个异质结构,例如一种或更多种量子阱。半导体层745可以生长在有源层735上。

为了与半导体层725(例如,n型GaN层)接触并更有效地从LED 705提取有源层735发射的光,可以蚀刻半导体层以暴露半导体层725,并形成包括层725–745的台面结构。台面结构可以将载流子限制在器件的注入区域内。蚀刻台面结构可导致台面侧壁(又称小平面)的形成。

如图7B所示,LED 705可以具有包括平顶的台面结构。介电层775(例如SiO2或SiNx)可以形成在台面结构的小平面上。在一个实施例中,介电层775可以包括多层介电材料。金属层795可以形成在介电层775上。金属层795可以包括一种或多种金属或金属合金材料,例如铝(Al)、银(Ag)、金(Au)、铂(Pt)、钛(Ti)、铜(Cu)或其任意组合。

介电层775和金属层795可以形成台面反射器,以将有源层735发射的光反射向衬底715。电触点765和电触点785可以分别形成在半导体层745和半导体层725上,以用作电极。电触点765和电触点785可以各自包括导电材料,并且可以用作LED 705的电极。

在图7B所示的示例中,电触点785可以是n触点,并且电触点765可以是p触点。电触点765和半导体层745可以形成用于将有源层735发射的光反射回衬底715的背反射器。电触点765和金属层795包括相同的材料,并且可以使用相同的工艺形成。在一个实施例中,可以包括附加导电层(未示出)作为电触点765和785与半导体层之间的中间导电层。

当在触点765和785之间施加电压信号时,电子和空穴可以在有源层735中重新结合。电子和空穴的复合可能会引起光子发射,从而产生光。发射光子的波长和能量可以取决于有源层735中价带和导带之间的能带隙。

当形成台面结构时,台面结构的小平面可能包括一定的缺陷,例如未满足的键合、化学污染和结构损伤(例如当干法蚀刻时),这可能降低LED的内部量子效率。

图8示出了发光二极管的光发射功率和电流密度之间的关系。如图8中的曲线810所示,当电流密度(因此电荷载流子密度N)低时,Micro LED器件的光发射功率可能较低。当电荷载流子密度N低(因此N2和N3小)时,低的外部量子效率可能由相对高的非辐射SRH复合引起。

根据方程,随着电流密度(以及因此电荷载流子密度N)的增加,光发射功率可以增加,如图8中的曲线820所示,因为当电荷载流子密度为高时,辐射复合可以以比非辐射SRH复合(∞N)更高的速率(∞N2)增加。

随着电流密度的进一步增加,光发射功率可能以较慢的速率增加,如图8中的曲线830所示,因此外部量子效率可能下降,因为当电荷载流子密度N足够高时,非辐射俄歇复合可能以比辐射复合(∞N2)更高的速率(∞N3)增加。

俄歇复合是一个涉及三个载流子的非辐射过程。俄歇复合可能是效率下降的主要原因,并且可能是直接的或间接的。

根据方程,俄歇复合的影响可以减少,并且因此LED的IQE可以通过对于给定的注入电流密度降低电荷载流子密度N来提高。这可以通过增加有源区deff的有效厚度来实现。有源区的有效厚度可以通过例如生长多量子阱(MQW)来增加。或者,可以使用包括单厚双异质结构(DH)的有源区来增加有源区的有效厚度。

尽管由于高电流密度(和高电荷载流子密度)引起的俄歇复合可能是取决于材料性质的本征过程,但非辐射SRH复合可能取决于有源区处材料的特性和质量,例如有源区中的缺陷密度。

如以上关于图7A和7B所述,可以通过蚀刻穿过有源发光层来制造LED,以形成单独的台面结构并将载流子限制在单独的台结构内,并且暴露有源发光层下方的n型材料用于电接触。

蚀刻台面结构可导致形成与生长平面大致正交或相对于生长平面的表面法线方向略微倾斜的台面侧壁。

由于蚀刻,靠近暴露侧壁的有源区可能具有更高密度的缺陷,例如位错、悬空键、孔隙和杂质等。缺陷可以在带隙中引入具有深能级或浅能级的能态。载流子可能被这些能态捕获,直到它们非辐射地结合。因此,与远离侧壁的体区相比,靠近暴露的侧壁的有源区可以具有更高的SRH复合率。

由于高缺陷密度,在侧壁表面附近的高复合率可能取决于该区域中过量载流子(特别是少数载流子)的数量。高的复合率可能会耗尽该区域中的载流子,而该区域中载流子的耗尽可能导致载流子从具有较高载流子浓度的周围区域扩散到该区域。

因此,表面复合的量可能受到载流子移动到侧壁表面附近区域的表面复合速度S的限制。注入或扩散到距离侧壁表面的少数载流子扩散长度内的区域中的电荷载流子可能受到更高的SRH复合率影响。

GaN材料可以具有比诸如AlGaInP材料的磷化物半导体材料低得多的表面复合速度。另外,氮化物LED可以在比磷化物LED高得多的非平衡载流子浓度下工作,这可能导致氮化物LED的载流子寿命显著缩短。

因此,III族氮化物LED的有源区中的载流子扩散长度可以显著短于磷化物LED中的载流子散射长度。

所以,III族氮化物LED,例如InGaNMicro LED,可以具有较低的表面复合速度和较短的载流子扩散长度,因此可以具有比磷化物LED低得多的表面复合和效率降低。

较高的电流密度可以与较低的表面复合速度相关联,因为表面缺陷在较高的载流子密度下可能越来越饱和。因此,可以通过增加电流密度来降低表面复合速度。

另外,给定材料的扩散长度可以随着器件工作的电流密度而变化。然而,LED通常不能在高电流密度下操作。由于较高的俄歇复合率和在较高的温度下由在较高的电流密度下的自加热引起的较低的转换效率,增加电流注入也可能导致Micro LED的效率下降。

对于在照明和背光应用中使用的传统的宽面积LED(例如具有约0.1mm2至约1mm2的横向器件面积),侧壁表面位于器件的远端。

所述器件可以设计为使得很少或没有电流注入到台面侧壁的少数载流子扩散长度内的区域中,并且因此侧壁表面积与体积的比率和SRH复合的总速率可能较低。

然而,在Micro LED中,当LED的尺寸减小到与少数载流子扩散长度相当或具有相同数量级的值时,增加的表面积与体积比可能导致高的载流子表面复合率,因为总有源区的更大比例可能落在从LED侧壁表面开始的少数载流子扩散长度内。

因此,更多的注入载流子受到更高的SRH复合率的影响。这可以导致LED的漏电流随着LED尺寸的减小而增大,并且LED的效率随着LED尺寸减小而减小,和/或导致峰值效率工作电流随着LED的尺寸减小而增大。

例如,对于具有100微米×100微米×2微米(宽×长×高)台面的较大LED,侧壁表面积与体积之比可能约为0.04。然而,对于具有5微米×5微米×2微米台面的较小LED,侧壁表面积与体积之比可能约为0.8,这比较大LED高约20倍。

因此,对于类似的表面缺陷密度,较小LED的SRH复合系数可以高出约20倍。换句话说,较小的LED的效率可能会显著降低。

如以上关于例如图7A所述,LED可以包括在衬底上外延生长的半导体层,所述衬底例如是蓝宝石衬底或具有纤锌矿六方晶格的GaN衬底。根据衬底的切割方式,衬底的生长表面可以是极性平面、非极性平面或半极性平面。因此,在衬底上生长的外延层可以具有不同的取向。具有不同取向的外延层可以具有不同的生长质量、组成和性质。

图9A-9E示出了可以在其上生长外延层的III族氮化物半导体材料900的示例的六方晶格结构的各个平面。

半导体材料900可以包括例如蓝宝石衬底或具有如图所示的纤锌矿六方晶格的GaN衬底。六方晶格的平面可以由四个米勒-布拉瓦指数a1、a2、a3和c表示为(a1、a2,a3,c),其中a1+a2+a3=0。

例如,a1+a2+a3=0和c≠0定义了一组沿c轴具有不同指数c的平行平面,而所述平面是在垂直于平面的方向上具有最大自发极化的极性平面。这是由于双层单层中氮化物原子和镓原子的数量不相等。在图9A中示出了c平面910的示例。

如果平面的折射率c为0,则该平面在垂直于该平面的方向上具有零偏振场,因此称为“非极性”平面。在图9B中示出了非极性m平面920的示例。

当一个平面的c为非零,并且该平面的a1和a2中的任何一个为非零时,所述平面是半极性平面。图9C-9E示出了半导体材料900中的半极性平面的示例。图9C中所示的半极平面930是(2021)平面(又称为s6平面),其相对于c平面具有约75°的角度θ。(2021)平面可能是绝大多数N平面,其中平面上的大多数元素是氮。

图9D中所示的半极性平面940是(1011)平面(又称为s5平面),其相对于c平面具有约62°的角度θ。图9E中所示的半极性平面950是(1122)平面(又称为s2平面),其相对于c平面具有约58°的角度θ。

InGaN/GaN c平面LED器件通常在量子阱发光层中具有大的内部场。内部场可以包括极化诱导的内部场和p-n结的内置缺失场。LED器件的异质结构中的场可能导致电子和空穴能级移动(从而改变带隙),这可以称为量子约束斯塔克效应(QCSE)。

当量子约束系统沿着载流子约束轴受到电场作用时,会产生QCSE。对于半导体量子阱,量子阱中的内部场可能会使势阱偏斜,并导致空穴和电子能级偏移,从而减小这些能级之间的间隙。

随着电子和空穴在空间上分离,由于库仑相互作用的减少,这些变化可能伴随着激子能量的变化。QCSE有时可能表现为激子能量的净下降,从而表现为其发光光谱的红移。

在诸如GaN的极性晶体中,对于在c平面(即极性平面)上生长的晶体,生长方向上的自发极化可能处于最大值。对于在其他取向的平面上生长的晶体,偏振可以改变方向。

因此,生长在与c平面(即半极性平面)夹角θ在0°和90°之间的平面上的晶体,生长方向上的极化可能会降低,而生长在垂直于极性平面的平面(例如非极性m平面或a平面)上的晶体可能会变为零(非极性)。

InGaN/GaN结构中的压电极化可以以类似的方式表现,因此对于具有不同取向的平面,压电极化可以不同。因此,基于这些极性晶体的异质结构(例如量子阱)可能具有由压电极化和沿最自然的晶体生长方向的自发极化引起的强内部电场。

因此,在c平面上生长的异质结构中的载流子在其传输方向(上可能经历强极化诱导的内部场。载流子传输方向上的极化诱导的内部场可能导致这些异质结构内部激子发射能量的移动。因此,更多的电子可以靠近p-GaN侧,并且更多的空穴可以靠近N-GaN侧。

电子和空穴之间的这种空间分离受到量子阱周围势垒的存在的限制,并且可能导致电子和空穴波函数在c轴方向上的空间重叠的急剧减小,这又可以降低辐射复合率,从而降低系统的内部量子效率。

因此,在c平面衬底上生长的异质结构可能在载流子传输方向上受到强的内部电场影响。载流子传输方向上的极化诱导电场可能导致这些异质结构内部的激子发射能量的红移。例如,由于偏振诱导的内部场引起的能带失真,与没有偏振效应的量子阱相比,零偏压下的c平面量子阱的光致发光发射波长可能发生红移(即具有更长的波长和更低的能量)。

随着外部偏置电压(和电场)的增加,能带可以逐渐变平,量子阱的发射波长可以蓝移(即具有更短的波长和更高的能量),因为内部电场可以通过自由载流子的注入至少部分地屏蔽。

对于c平面LED,自发发射和偏置条件下发射之间的蓝移可能是显著的(例如,>30nm)。对于m平面LED,高质量发光材料层的外延生长可能是困难的。

对于相对于c平面的角度θ在0°和90°之间(例如在约50°和约75°之间或在约58°和约66°之间)的半极性平面,生长方向上的偏振场(以及QCSE)位于这些极端之间。半极性GaN同时能够在灾难性的形态破坏发生之前适应足够的应力,包括1-D和2-D扩展缺陷的传播。因此,半极性GaN能够产生具有降低的QCSE和蓝移的高效LED。

Meta指出,Micro LED像素可以由生长在半导体层中形成的凹坑结构的半极性面上的发光层制成。

可以通过使用具有倾斜侧壁和特定形状和取向的开口的掩模蚀刻半导体层(例如n掺杂或p掺杂的III-V族半导体材料层),或者通过通过具有小孔的掩模在衬底(或缓冲层)上过度生长半导体层,在半导体层中形成凹坑结构。

因为发光层生长在半极性平面上,并且在生长之后可能不存在对发光层的蚀刻(并且因此不存在具有高缺陷密度的发光层的被蚀刻的侧壁),所以Micro LED像素的内部量子效率可能很高。

另外,在凹坑结构的半极性面上生长的发光层可以具有大于凹坑结构的横向面积的发光面积,并且因此可以在发光区域中具有较低的有效载流子密度和较低的俄歇复合率。

同时,在某些半极性小面上生长发光层可以在形成堆叠缺陷之前更可靠地在InGaN层中掺入更多的铟,使得可以在凹坑结构的半极性小面上生长具有更高铟浓度(因此具有更低带隙)的高质量InGaN,从而增加由LED发射的光的波长(例如从蓝光到绿光和/或红光)。

因此,所述Micro LED像素可以实现发射光波长的大红移和高量子效率。

相关专利Meta Patent | Semipolar micro-led

名为“Semipolar micro-led”的专利申请最初在2021年10月提交,并在日前由美国专利商标局公布。

本文链接https://news.nweon.com/107521
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